Ba nữ sinh Ireland và phát hiện chấn động: Vi khuẩn từ "mụn cóc" trên cây đậu giúp lúa mạch tăng trưởng vượt trội

Câu chuyện bắt đầu như một ca bệnh nghi ngờ. Émer Hickey đang làm vườn cùng mẹ ở Kinsale, bờ biển Cork của Ireland, khi họ nhổ một cây đậu Hà Lan lên và phát hiện rễ của nó phủ đầy những cục u nhỏ màu nhạt, giống như mụn cóc. Trông cây có vẻ bị bệnh. Émer, khi đó mới ở độ tuổi thiếu niên, đã làm điều tạo nên sự khác biệt giữa một câu chuyện khoa học và một câu chuyện ủ phân: cô mang cây đến trường và hỏi giáo viên xem nó bị làm sao.

Câu trả lời là: không có gì cả. Những "mụn cóc" đó thực chất là các nốt sần, bên trong chứa rhizobium, một loại vi khuẩn đất thuộc họ cố định đạm diazotrophs. Các loại cây họ đậu như đậu Hà Lan cố tình nuôi dưỡng chúng để đổi lấy phân bón. Vi khuẩn kéo nitơ từ không khí và chuyển thành amoniac cho cây; cây trả công bằng đường. Đây là một trong những mối quan hệ cộng sinh lâu đời nhất trong nông nghiệp, nhưng cũng là một trong những ngoại lệ gây khó chịu nhất, bởi vì các loại ngũ cốc chủ lực của thế giới – lúa mì, lúa mạch, gạo – không thể tạo ra mối quan hệ này.

Hình ảnh minh họa về nốt sần rễ cây họ đậu

Émer kể cho hai người bạn là Ciara Judge và Sophie Healy-Thow, những người đang học môn địa lý và tình cờ nghiên cứu về cuộc khủng hoảng lương thực thế giới trong bối cảnh nạn đói ở vùng Sừng châu Phi năm 2011. Cả ba nảy ra một câu hỏi lớn: Nếu cây ngũ cốc không thể chứa vi khuẩn này, thì liệu vi khuẩn có thể giúp cây ngũ cốc không?

Phòng thí nghiệm trong phòng ngủ

Lời khuyên từ giới khoa học trưởng thành khá chán nản. Lợi ích của rhizobium vốn được biết đến chỉ dành cho cây họ đậu. Nhiều người nói với họ rằng vi khuẩn này sẽ không có tác dụng gì với cây ngũ cốc. Nhưng ba cô gái, khoảng 14 tuổi khi bắt đầu, quyết định rằng điều đó chưa từng được kiểm chứng ở quy mô của mình. Họ đặt mục tiêu thử nghiệm ở một quy mô mà không ai ngờ tới.

Làm việc tại nhà, với một căn phòng ngủ trong nhà gia đình Judge được cải tạo thành phòng thí nghiệm, với các kệ ủ, mẫu vật dán nhãn bằng tay, và một chế độ kiểm soát tự chế, họ ngâm hạt ngũ cốc trong dung dịch rhizobium và đo đạc mọi thứ: thời gian nảy mầm, tỷ lệ nảy mầm, sự phát triển của cây con, khối lượng khô. Hết đợt này đến đợt khác, hết mùa này đến mùa khác, suốt ba năm trời, họ thử nghiệm trên lúa mạch, yến mạch và lúa mì, cuối cùng thử nghiệm khoảng 13.000 hạt giống, cùng hàng nghìn hạt khác trong một thử nghiệm đồng ruộng ngoài trời, và ghi chép cẩn thận khoảng 120.000 phép đo vào sổ tay và bảng tính.

Kết quả đã phủ nhận hoàn toàn quan điểm của các chuyên gia. Lúa mạch và yến mạch được xử lý nảy mầm nhanh hơn và đồng đều hơn đáng kể, với tỷ lệ nảy mầm được cải thiện lên tới 50%. Lợi thế ban đầu kéo dài suốt quá trình: cây ngũ cốc được xử lý đạt khối lượng khô cao hơn rõ rệt, có trường hợp tăng lên tới 74%. Vi khuẩn không thể tạo ra các nốt sần như cây họ đậu, nhưng một điều gì đó trong sự kết hợp, được đưa vào ngay từ hạt giống, đã đánh thức cây ngũ cốc sớm hơn và giúp chúng phát triển mạnh mẽ hơn.

Thành tích đáng nể

Giới khoa học Ireland chú ý đầu tiên. Dự án đã giành giải Nhất cuộc thi Nhà khoa học trẻ của năm tại Ireland (BT Young Scientist of the Year) vào năm 2013, giúp ba cô gái trở thành nhóm nữ sinh đầu tiên giành danh hiệu khoa học trẻ hàng đầu Ireland, sau đó là cuộc thi Nhà khoa học trẻ EU. Tháng 9 năm 2014, họ đạt đến đỉnh cao: tại trụ sở Google ở California, dự án "Chống khủng hoảng lương thực toàn cầu: Vi khuẩn Diazotroph như một chất thúc đẩy tăng trưởng cây ngũ cốc" đã giành giải Grand Prize của Google Science Fair, vượt qua hàng nghìn bài dự thi trên toàn thế giới. Giải thưởng bao gồm học bổng và một chuyến đi đến quần đảo Galápagos. Tạp chí Time còn xếp Ciara Judge vào danh sách những thanh thiếu niên có ảnh hưởng nhất thế giới. Họ mới 16 và 17 tuổi, và họ đã bắt đầu từ năm 14 tuổi, từ một cái cây mà hầu hết người làm vườn sẽ vứt bỏ.

Ý nghĩa với nông nghiệp Việt Nam và thế giới

Ý nghĩa của kết quả này không hề nhỏ. Nảy mầm là một trong những "khoản thuế thầm lặng" của nông nghiệp. Những hạt giống nảy mầm chậm hoặc không nảy mầm sẽ làm giảm năng suất ngay từ đầu vụ. Một khởi đầu nhanh hơn và đồng đều hơn có vai trò quan trọng nhất ở những nơi có mùa sinh trưởng ngắn nhất và biên độ lợi nhuận mỏng nhất. Một chế phẩm xử lý hạt giống dựa trên vi khuẩn đất tự nhiên, không cần hóa chất tổng hợp, là một công cụ chi phí thấp rất phù hợp cho nông nghiệp quy mô nhỏ – điều mà ba cô gái đã hướng tới ngay từ những tấm poster đầu tiên về an ninh lương thực. Họ đã bàn về bằng sáng chế và thương mại hóa. Khoa học rộng lớn hơn cũng đang đi theo hướng của họ: kỹ thuật biến đổi cây ngũ cốc và vi sinh vật để mở rộng mối quan hệ cố định đạm ra ngoài phạm vi cây họ đậu hiện là một trong những mục tiêu được đầu tư nhiều nhất trong nghiên cứu nông nghiệp.

Với Việt Nam, nơi lúa gạo là cây lương thực chính, các nghiên cứu tương tự về việc sử dụng vi khuẩn cố định đạm tự nhiên để giảm phân bón hóa học đang rất được quan tâm, nhằm hướng tới nền nông nghiệp bền vững và giảm phát thải.

Bài học về sự tò mò

Phần ghi chú trung thực cũng giống như những câu chuyện khoa học thần đồng thông thường: một nghiên cứu trong phòng ngủ, dù có quy mô đáng kinh ngạc, vẫn không phải là một chương trình thực địa được bình duyệt chính thức. Hiệu quả "lên tới" 50% và 74% là mức trần chứ không phải mức trung bình, và chưa có sản phẩm thương mại nào thực sự bắt nguồn từ dữ liệu Kinsale. Điều vững chắc còn lại khó có thể bác bỏ: Ba thiếu niên được bảo rằng một cánh cửa sinh học đã đóng lại, họ đã kiểm tra tài liệu, phát hiện ra rằng chưa ai từng thử đẩy nó với 13.000 hạt giống và ba năm kiên nhẫn, và họ đã đẩy. Những "mụn cóc" trên cây đậu hóa ra lại là thứ ít "bệnh hoạn" nhất trong câu chuyện này. Căn bệnh thực sự chính là những giả định cũ kỹ, và phương thuốc, như thường lệ, đến từ một đứa trẻ đặt câu hỏi: "Rốt cuộc thì cái cây bạn định vứt đi này bị làm sao?"